（三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品園林學(xué)院，河南三門(mén)峽472000）

瑪咖（Lepidium meyenii Walp.）因其具有獨(dú)特的抗疲勞、延緩衰老等功效，常被當(dāng)做滋補(bǔ)強(qiáng)身的健康食品[1]。將新鮮瑪咖脫水是擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，克服產(chǎn)出季節(jié)性、地域性限制，方便貯運(yùn)以及進(jìn)一步深加工的重要產(chǎn)業(yè)上游操作單元。

干燥是果蔬脫水的重要手段[2]。微波真空干燥是一種快速的脫水技術(shù)，其能將瑪咖脫水時(shí)間控制在6 h，但微波加熱的不均勻性，導(dǎo)致瑪咖切片品質(zhì)降低嚴(yán)重[3]；真空遠(yuǎn)紅外能夠解決瑪咖干燥過(guò)程中干燥的不均勻性問(wèn)題，但紅外穿透厚度有限，熱量仍主要以熱輻射的方式傳遞，導(dǎo)致其干燥時(shí)間較長(zhǎng)，干制品質(zhì)量較低[4]。此外，自然晾曬、熱風(fēng)干燥、真空干燥等均被報(bào)道應(yīng)用于瑪咖脫水中，但整體效果不佳，難以應(yīng)用于大規(guī)模、高品質(zhì)瑪咖切片干制品工業(yè)生產(chǎn)中[5]。

熱泵干燥是近年來(lái)新興發(fā)展的一種節(jié)能、高效、保質(zhì)干燥技術(shù)，其利用熱泵除濕原理，控制干燥環(huán)境濕度，循環(huán)利用系統(tǒng)中干燥殘留熱，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行脫水操作[6]。使用制冷機(jī)替換熱泵干燥系統(tǒng)中的加熱單元，從而產(chǎn)生低溫、低濕度的干燥介質(zhì)，有利于降低干燥過(guò)程中物料的受熱強(qiáng)度，保護(hù)干制品熱敏性成分的降解。這種干燥方式被稱(chēng)為熱泵式冷風(fēng)干燥，簡(jiǎn)稱(chēng)冷風(fēng)干燥。任廣躍等采用冷風(fēng)干燥香椿芽，得到葉綠素含量高的產(chǎn)品[7]；李亞麗等利用冷風(fēng)干燥對(duì)雙孢菇進(jìn)行脫水處理很好的避免了雙孢菇褐變的發(fā)生[6]。王宏慧等將冷風(fēng)干燥應(yīng)用于瑪咖切片脫水過(guò)程中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然冷風(fēng)干燥能夠得到的產(chǎn)品質(zhì)量較高，但整個(gè)干燥過(guò)程需耗時(shí)20 h左右，干燥效率較低[8]。因此有必要將高效傳質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于冷風(fēng)干燥過(guò)程中，從而能夠在較低干燥溫度下，提高冷風(fēng)干燥效率。

頻率在20 kHz～100 kHz的超聲被稱(chēng)作為低頻超聲，其作用與果蔬中能夠產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)以及微熱效應(yīng)[8]。其中機(jī)械效應(yīng)能夠使物料不斷伸縮，產(chǎn)生克服水表面附著力的作用力，促進(jìn)水分遷移，同時(shí)增加水分遷移孔道數(shù)量；空化效應(yīng)能夠在物料局部產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫高壓，提升水分流動(dòng)性；微熱效應(yīng)能夠產(chǎn)生一定的熱量，被物料吸收，強(qiáng)化物料熱傳遞[9]。基于超聲特性，將其作用于干燥過(guò)程中能夠有效的強(qiáng)化、協(xié)同干燥過(guò)程的進(jìn)行，提升干燥效率[10]。目前已見(jiàn)關(guān)于超聲輔助熱風(fēng)[11]、真空冷凍干燥[12]的報(bào)道，但鮮有低頻超聲介入瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程的研究。

本文以瑪咖為原料，研究低頻超聲介入冷風(fēng)干燥后對(duì)其干燥特性及品質(zhì)特征的影響，并采用Weibull分布函數(shù)及回歸分析法分別構(gòu)建低頻超聲介入下瑪咖冷風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)及品質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)模型。

1 材料與方法

1.1 原料

瑪咖：云南省麗江市玉龍雪山當(dāng)?shù)禺a(chǎn)區(qū)。烘箱法測(cè)得所購(gòu)瑪咖干基含水率為3.75 g/g。

1.2 儀器

ZCHZ-08型低頻超聲-冷風(fēng)干燥機(jī)熱泵式冷風(fēng)系統(tǒng)：諸城市浩正機(jī)械科技有限公司；DR28K/40K-03型超聲發(fā)生系統(tǒng)：深圳德瑞超聲波設(shè)備有限公司；兩部分示意圖如圖1所示，冷風(fēng)干燥系統(tǒng)溫度為10℃～40℃，進(jìn)口風(fēng)速為0～3 m/s；超聲頻率為28 kHz，超聲功率能夠在0～300 W之間連續(xù)調(diào)節(jié)，振動(dòng)盤(pán)尺寸為：厚度6 mm，直徑110 mm；CR-10plus型色差儀：日本柯尼卡美能達(dá)公司；HH-2型水浴鍋：上海力辰邦西儀器科技有限公司；Agilent 1260高效液相色譜：安捷倫科技有限公司。

圖1 低頻超聲-冷風(fēng)干燥機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of low frequency ultrasonic cold air dryer

1.3 干燥試驗(yàn)

參考張明玉等[3]的方法對(duì)瑪咖進(jìn)行切片，并將其至于4℃冰箱備用。將備用瑪咖切片500 g至于低頻超聲振動(dòng)圓盤(pán)中進(jìn)行如下干燥試驗(yàn)：1）設(shè)置超聲功率為150 W，研究不同冷風(fēng)溫度（20、30、40℃）對(duì)瑪咖干燥過(guò)程的影響；2）設(shè)置冷風(fēng)溫度為30℃，研究不同超聲功率（50、150、250W）對(duì)瑪咖干燥過(guò)程的影響。試驗(yàn)每1 h取出樣品對(duì)其進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值進(jìn)行指標(biāo)分析。試驗(yàn)過(guò)程中干燥箱內(nèi)風(fēng)速維持在1 m/s，物料干基含水率低于0.052時(shí)干燥結(jié)束[8]。

以瑪咖切片直接冷風(fēng)干燥為對(duì)照組，參考文獻(xiàn)[8]及前期預(yù)試驗(yàn)，瑪咖直接冷風(fēng)干燥條件設(shè)置為：進(jìn)口風(fēng)速1 m/s和干燥溫度30℃。

1.4 干基含水率

瑪咖切片低頻超聲-冷風(fēng)干燥過(guò)程中的干基含水率測(cè)定采用式（1）計(jì)算：

式中：Mt為物料在干燥任意t時(shí)刻的干基含水率，g/g；mt、md分別為干燥任意t時(shí)刻物料和絕干物料的質(zhì)量，g。

1.5 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

參考任亞敏等[4]的方法，瑪咖切片低頻超聲-冷風(fēng)干燥過(guò)程中的水分比采用公式（2）計(jì)算：

式中：M0、Mt分別為瑪咖切片初始干基含水率和在任意干燥t時(shí)刻干基含水率，g/g；MR為水分比。

參考王宏慧等[8]的處理方法物料干燥過(guò)程中的水分比可以表達(dá)為式（3）：

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；L為物料厚度的一半，m；t為時(shí)間，s；M0為初始干基含水率，g/g；Mt為在任意干燥t時(shí)刻的干基含水率，g/g；n為組數(shù)，本試驗(yàn)干燥時(shí)間足夠長(zhǎng)，可將其視為0，因此，試驗(yàn)中物料水分比又可以簡(jiǎn)化為式（4）：

對(duì)式（4）兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)化得到有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算公式（5）：

由式（5）可發(fā)現(xiàn)，以lnMR為縱坐標(biāo)，以t為橫坐標(biāo)作圖，得到直線的斜率，即可計(jì)算出物料干燥過(guò)程中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。

1.6 Weibull分布函數(shù)擬合

參考張明玉等[3]的方法，Weibull分布函數(shù)表達(dá)式如式（6）所示：

式中：MR為水分比；α為尺度參數(shù)，h；β為形狀參數(shù)；t為干燥時(shí)間，h。

Weibull分布函數(shù)的擬合精度驗(yàn)證采用決定系數(shù)R2和離差平方和χ2來(lái)表示。R2值越大，χ2值越小表示擬合越好：

式中：N為試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)；MRi為實(shí)測(cè)水分比；MRpi為預(yù)測(cè)水分比。

1.7 總色差

采用便攜式色差儀測(cè)定瑪咖切片干制品L、a、b值，并采用式（9）計(jì)算產(chǎn)品總色差[13]：

其中，ΔE為總色差，ΔL、Δa以及 Δb為計(jì)算公式如式（10）～（12）所示：

式中：Lt、at、bt分別為物料在干燥任意 t時(shí)刻的 L、a、b 值，L0、a0、b0分別為物料初始 L，a，b 值。

1.8 復(fù)水比

將5 g瑪咖干制品浸泡于30℃水中，并置于30℃恒溫水浴鍋中20 min，撈出瀝干后稱(chēng)取其質(zhì)量m，則所得產(chǎn)品復(fù)水比為：

1.9 瑪咖酰胺含量

瑪咖酰胺含量的測(cè)定參考李?lèi)?ài)民等的方法[5]，但色譜條件略有改動(dòng)。本試驗(yàn)色譜條件為：Di-amonsilC18柱（5 μm×4.6 mm×150 mm），45℃柱溫，以乙腈（A）0.1%甲酸水溶液（B）為流動(dòng)相；0.4 mL/min流速，20 μL進(jìn)樣體積，檢測(cè)波長(zhǎng)為208 nm。

1.10 數(shù)據(jù)處理

采用Origin pro 8.5對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性/非線性擬合，并分析其擬合度；使用DPS 7.05對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，試驗(yàn)中顯著水平定為P＜0.05。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值進(jìn)行各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低頻超聲介入下瑪咖冷風(fēng)干燥特性

不同干燥條件下瑪咖含水率隨干燥時(shí)間變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，不同超聲功率條件下瑪咖干燥耗時(shí)最長(zhǎng)為17 h，最短為12 h，相對(duì)于冷風(fēng)直接干燥，低頻超聲的介入能夠降低瑪咖干燥耗時(shí)，且隨著超聲功率的增加瑪咖干燥耗時(shí)不斷降低，這表明低頻超聲的介入能夠強(qiáng)化瑪咖冷風(fēng)干燥，提升干燥速率。低頻超聲作用于果蔬中一方面造成樣品不斷的壓縮和膨脹，其作用力促使物料內(nèi)部水分克服表面張力，水分流動(dòng)性增強(qiáng)；另一方面，超聲的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)增加了物料內(nèi)部孔道數(shù)量，水分?jǐn)U散路徑隨之增多，干燥過(guò)程得到強(qiáng)化。試驗(yàn)條件下，低頻超聲的介入將瑪咖冷風(fēng)干燥時(shí)間降低了5.56%～33.33%。

圖2 不同超聲功率和干燥溫度下瑪咖低頻超聲-冷風(fēng)干燥曲線Fig.2 Low frequency ultrasonic-cold air drying curve at different ultrasonic power and drying temperature

當(dāng)超聲功率固定在150 W時(shí)，干燥溫度為20、30、40℃時(shí)的干燥時(shí)間分別為20、15、11 h，干燥耗時(shí)最小值比最大值降低了45%，相對(duì)于不同超聲功率下瑪咖冷風(fēng)干燥耗時(shí)最低值比最大值降低29.41%，表明干燥溫度對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥耗時(shí)的影響較為顯著（P＜0.05）。

有效水分?jǐn)U散系數(shù)能夠反映水分在物料內(nèi)部擴(kuò)散的快慢。瑪咖干燥過(guò)程中l(wèi)n MR隨時(shí)間變化關(guān)系圖見(jiàn)圖3，經(jīng)計(jì)算可得不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)，其結(jié)果如圖4所示。

瑪咖冷風(fēng)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)在5.15×10-10m2/s～9.52×10-10m2/s之間，該試驗(yàn)結(jié)果同王宏慧等[8]研究結(jié)果一致。由圖4可知，隨著超聲介入功率的增加，瑪咖有效水分?jǐn)U散系數(shù)不斷增大，且大功率超聲有著比小功率超聲更顯著的提升效果；改變干燥溫度，有效水分?jǐn)U散系數(shù)的最大值比改變超聲有效水分?jǐn)U散的最大值要大。不同超聲功率和不同干燥溫度下瑪咖冷風(fēng)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)的最大值比最小值分別增加了50.51%和84.75%。以上分析說(shuō)明，超聲介入有強(qiáng)化瑪咖冷風(fēng)干燥行為的效果，且高超聲功率強(qiáng)化效果較好；相對(duì)于超聲功率，干燥溫度對(duì)瑪咖干燥特性的影響較為顯著（P＜0.05）。

圖3 瑪咖干燥過(guò)程中l(wèi)n MR隨時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.3 The relationship between ln MR and drying time in the drying process of maca

圖4 不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Fig.4 The effective moisture diffusion coefficient of the cold-air drying of maca under different drying conditions

Weibull分布函數(shù)不僅能夠描述果蔬干燥動(dòng)力學(xué)，還能夠探究干燥機(jī)理[14]。表1為采用Weibull分布函數(shù)對(duì)不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中水分比同時(shí)間變化數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。

表1 Weibull分布函數(shù)擬合參數(shù)、精度指標(biāo)Table 1 Fitting parameters，fitting precision indexes of Weibull distribution function

不同干燥條件下Weibull分布函數(shù)擬合R2（＞0.9）和離差平方和χ2（處于10-5數(shù)量級(jí)）均得到較優(yōu)結(jié)果，表現(xiàn)出對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程較好的擬合?，斂Ю滹L(fēng)干燥尺度函數(shù)α表征著干燥開(kāi)始時(shí)的水分脫出速率，其值約等于脫出物料63%水分時(shí)所消耗的時(shí)長(zhǎng)。由表1可知，低頻超聲的介入提升了物料初始干燥時(shí)的干燥速率，且高功率超聲強(qiáng)化效果明顯。Weibull分布函數(shù)形狀參數(shù)β可以用來(lái)表征物料干燥過(guò)程中水分遷移的機(jī)制，由表1可以看出，瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中其形狀參數(shù)均小于1，表明整個(gè)干燥過(guò)程處于降速干燥階段，水分的遷移關(guān)鍵影響因素為內(nèi)部水分的外遷阻力[14]。

2.2 低頻超聲介入對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥產(chǎn)品品質(zhì)的影響

為探究低頻超聲的介入對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥產(chǎn)品特征的影響，本文選取總色差、復(fù)水比及瑪咖特征功能性成分瑪咖酰胺為品質(zhì)指標(biāo)對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)，其結(jié)果如圖5所示。褐變反應(yīng)是果蔬干燥過(guò)程中顏色衰退的主要原因[7]。

圖5 不同干燥條件下瑪咖制品總色差、復(fù)水比和瑪咖酰胺測(cè)定結(jié)果Fig.5 Determination results of total color difference，rehydration ratio and macaramide of dried maca product under different drying conditions

由圖5A可以看出，超聲介入會(huì)引起瑪咖干燥過(guò)程中發(fā)生更多的褐變反應(yīng)，且隨著超聲功率的增加褐變現(xiàn)象更為嚴(yán)重。這可能因?yàn)槌暯槿氘a(chǎn)生了熱效應(yīng)，使物料溫度提升，褐變反應(yīng)加劇。同樣的，干燥溫度增加，物料溫度隨之增加，導(dǎo)致干制品顏色變差。改變超聲功率色差最大值比最小值增加了44.73%，而改變干燥溫度色差最大值比最小值增加了198.25%，由此能夠發(fā)現(xiàn)，干燥溫度相對(duì)于超聲功率對(duì)產(chǎn)品色差的影響更顯著。

產(chǎn)品復(fù)水比能夠反應(yīng)產(chǎn)品內(nèi)在多孔結(jié)構(gòu)崩塌程度[15]。由圖5B能夠發(fā)現(xiàn)超聲的介入能夠幫助瑪咖產(chǎn)生更多的孔隙通道，這是由超聲作用于果蔬中的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)協(xié)同產(chǎn)生的結(jié)果[10]。瑪咖冷風(fēng)干燥溫度升高會(huì)造成產(chǎn)品局部溫度積累，水分遷移速率不均勻，由水分?jǐn)U散造成的剪切應(yīng)力也不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)品復(fù)水性能下降。

瑪咖酰胺是瑪咖內(nèi)關(guān)鍵性的功能性活性成分。圖5C表明超聲介入能夠提升瑪咖酰胺含量。此外，隨著超聲功率和干燥溫度的提升瑪咖酰胺的含量在不斷提升。關(guān)于瑪咖中瑪咖酰胺的產(chǎn)生機(jī)理，目前尚未有明確的定論，但一般認(rèn)為瑪咖酰胺是瑪咖次生代謝產(chǎn)物[16]。就本研究結(jié)果而言，當(dāng)超聲介入到瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中或者提升干燥溫度時(shí)，由于超聲熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量及溫度提升產(chǎn)生的熱量促進(jìn)瑪咖干燥過(guò)程中瑪咖酰胺合成相關(guān)酶群的活性，從而使瑪咖干制品中瑪咖酰胺含量增加。但研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干燥溫度過(guò)高時(shí)會(huì)使與瑪咖酰胺合成相關(guān)的酶失活，且合成瑪咖酰胺的前體熱不穩(wěn)定性物質(zhì)會(huì)分解，最終導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)瑪咖酰胺含量降低。本試驗(yàn)結(jié)果及瑪咖酰胺隨干燥條件的變化趨勢(shì)同楊芳等[16]以及李?lèi)?ài)民等[5]的研究結(jié)論相似。

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究超聲介入下瑪咖冷風(fēng)干燥特性和品質(zhì)特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲介入能夠提升干燥效率和產(chǎn)品品質(zhì)，且隨著超聲功率的增加干燥耗時(shí)不斷降低，產(chǎn)品復(fù)水比和瑪咖酰胺含量不斷增加，但產(chǎn)品顏色降解變得更為嚴(yán)重。超聲的介入并沒(méi)有改變瑪咖冷風(fēng)干燥機(jī)理：整個(gè)干燥行為能夠用Weibull分布函數(shù)很好的描述，干燥過(guò)程主要受內(nèi)部水分?jǐn)U散限制，干燥主要受干燥溫度的影響。

本研究為低頻超聲場(chǎng)應(yīng)用于瑪咖高效率、高品質(zhì)干燥中提供了理論依據(jù)，但研究發(fā)現(xiàn)不同的干燥參數(shù)影響著不同的干燥效率及品質(zhì)指標(biāo)，仍然需要進(jìn)一步深入研究，以為工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用提供簡(jiǎn)易操作、綜合效果均優(yōu)的優(yōu)化干燥條件。此外，瑪咖酰胺含量變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，有必要在進(jìn)一步的研究中動(dòng)態(tài)監(jiān)控干燥過(guò)程中瑪咖酰胺的含量變化，以此為依據(jù)優(yōu)化干燥條件，或指導(dǎo)復(fù)雜聯(lián)合干燥工藝的進(jìn)行。